Самое грандиозное шоу на Земле: доказательства эволюции
Шрифт:
Вот как работает оригами на ранних стадиях развития позвоночных. Единственная оплодотворённая яйцеклетка делится, создавая две клетки. Затем эти две делятся, создавая четыре. И так далее, с быстро удваивающимся и удваивающимся числом клеток. На данном этапе нет никакого роста, никакого раздувания. Первоначальный объем оплодотворённой яйцеклетки буквально разделен на части, как при разрезании пирога, и мы заканчиваем сферическим шаром клеток, имеющим те же размеры, что и первоначальное яйцо. Это не сплошной шар, а полый, и его называют бластулой. Следующая стадия, гаструляция, является предметом известного остроумного выражения Льюиса Уолперта: "Не рождение, свадьба, или смерть, а гаструляция является действительно самым важным временем в Вашей жизни". Гаструляция - своего рода микрокосмическое землетрясение, которое несется по поверхности бластулы и полностью изменяет всю ее форму. Ткани эмбриона сильно перестраиваются.
Гаструляция обычно подразумевает вдавливание полого шара, являющегося бластулой, так, что он становится двухслойным с отверстием во внешний мир (см. стр. с компьютерной симуляцией). Внешний слой этой "гаструлы" называют эктодермой, внутренний слой - эндодермой, и есть также некоторые клетки, попадающие в пространстве между эктодермой и эндодермой, которые называют мезодермой. Каждый из этих трех первичных слоев предназначен для создания крупнейших частей тела. Например, внешняя кожа и нервная система образуются из эктодермы; кишечник и другие внутренние органы образуются из эндодермы; а мезодерма обеспечивает мышцы и кости.
Neurulation
Следующую стадию в оригами эмбриона называют нейруляцией. На схеме справа показано поперечное сечение середины спины нейрулирующего эмбриона земноводного (это могла быть или лягушка, или саламандра). Черный круг - "нотохорда", придающий жесткость стержень, который действует как предшественник позвоночника. Нотохорда является отличительной особенностью типа хордовых, к которому принадлежим мы и все позвоночные животные (хотя у нас, как и у большинства современных позвоночных животных, она есть только у эмбрионов). В нейруляции, как и в гаструляции, инвагинация [впячивание] очень показательна. Вы помните, я говорил, что нервная система происходит из эктодермы. Ну так вот как это происходит. Участок эктодермы впячивается (все дальше назад вдоль тела как застежка-молния), свертывается в трубку, и стягивается там, где стороны трубки "застегиваются на молнию", так что оказывается проходящим вдоль всего тела между внешним слоем и нотохордой. Этой трубке предстоит стать спинным мозгом, главным нервным стволом тела. Передний конец ее набухает и становится мозгом. А все остальные нервы получаются из этой первичной трубки благодаря последующему делению клеток.
Я не хочу вдаваться в детали гаструляции или нейруляции, только скажу, что они замечательны, и что метафора оригами вполне прилично сохраняется в обеих. Я рассмотрел общие принципы, благодаря которым эмбрионы становятся более сложными с помощью раздувающегося оригами. Ниже приведена одна из тех вещей, которую слои клеток, как было подмечено, делают в течение эмбрионального развития, например во время гаструляции. Вы можете легко увидеть, как такая инвагинация могла быть полезным действием для раздувающегося оригами, и она действительно играет крупнейшую роль и в гаструляции, и в нейруляции.
Внедрение в листе клеток
Гаструляция и нейруляция завершаются в раннем развитии, и они затрагивают всю форму эмбриона. Инвагинация и другие маневры "раздувающегося оригами" обеспечивают эти стадии ранней эмбриологии, и они, и подобные уловки также участвуют позднее в развитии, когда создаются специализированные органы, такие как глаза и сердце. Но, если нет рук для сворачивания, какой механический процесс обеспечивает эти динамичные перемещения? Отчасти, как я уже сказал, простое расширение. Клетки размножаются по всему слою ткани. Его площадь, следовательно, увеличивается и, за неимением пространства, у него мало выбора, кроме как скручиваться или впячиваться. Но этот процесс более управляем, и он был расшифрован группой ученых, объединенных блестящим математическим биологом Джорджем Остером из Калифорнийского университета в Беркли.
Остер и его коллеги использовали ту же стратегию, которую мы рассматривали ранее в этой главе для компьютерного моделирования стай скворцов. Вместо того, чтобы программировать поведение всей бластулы, они запрограммировали единственную клетку. Затем они "клонировали" много клеток, все время наблюдая за тем, что происходило, когда эти клетки собрались вместе на компьютере. Когда я говорю, что они запрограммировали поведение единственной клетки, будет лучше сказать, что они запрограммировали математическую модель единственной клетки, собрав в этой модели некоторые известные факты об одиночной клетке, но в упрощенной форме. В частности, известно, что внутренние пространства клеток пересекаются микронитями: своего рода миниатюрными резинками, но с дополнительным свойством - способностью активно сокращаться, как сжимаются мышечные волокна. На самом деле, микронити используют тот же принцип сокращения, что и мышечные волокна. Модель Остера упростила клетку до двух измерений, для того чтобы изобразить ее на экране компьютера, и всего лишь с полудюжиной нитей, стратегически размещенных в клетке, как Вы видите на диаграмме выше. В компьютерной модели всем микронитям дали определенные количественные свойства с названиями, которые что-то означают для физиков: "коэффициент вязкостного демпфирования" и "постоянная упругой пружины". Не важно, что они в точности подразумевают: они являются теми вещами, которые физикам нравится измерять у пружин. Хотя надо полагать, что в реальной клетке многие нити были бы способны сокращаться, Остер и его коллеги упростили дело, снабдив только одну из шести нитей этой способностью. Если бы они смогли бы получить реалистичные результаты даже после того, как откинули некоторые из известных свойств клетки, по-видимому, было бы возможно добиться не менее хороших результатов с более сложной моделью, в которой эти свойства сохранялись. Вместо того, чтобы позволять одной сокращающейся нити в их модели произвольно сокращаться, они встроили свойство, распространенное в определенного рода мышечных волокнах: растянутое сверх определенной критической длины, волокно реагировало, сокращаясь до намного меньшей длины, чем его нормальная равновесная длина.
Итак, у нас есть своя модель единственной клетки: очень упрощенная модель, состоящая из двумерного контура, в котором натянуто шесть упругих пружин, у одной из которых есть особое свойство реагировать на приложенное извне растягивание активным сокращением. Это первый этап процесса моделирования. Во второй стадии Остер и его коллеги клонировали несколько дюжин своих моделируемых клеток и расположили их по кругу, подобно (двумерной) бластуле. Затем они взяли одну клетку и подрегулировали ее сокращающуюся нить, чтобы побудить ее к сокращению. То, что затем произошло, едва ли не слишком замечательно. Моделируемая бластула гаструлировала! Вот шесть скриншотов, показывающих, что произошло (от a до f ниже). Волна сокращений распространилась в стороны от возбужденной клетки, и шар клеток самопроизвольно вогнулся.
Остеровская модельная blastula gastrulating
То к чему идет - еще лучше. Остер и его коллеги поставили эксперимент на своей компьютерной модели, в котором понизили "порог срабатывания" сокращающихся нитей. Результатом была волна инвагинации, которая пошла дальше и фактически отщепила нервную трубку (скриншоты от а до h на обороте). Важно понять, чем реально является модель, такая как эта. Она - не точное представление нейруляции. Помимо того факта, что она являлся двумерной и упрощенной во многих других отношениях, шар клеток, который нейрулировал (скриншот а), не был двухслойной "гаструлой", как это должно было быть. Это была все та же бластулоподобная исходная позиция, какая была у нас в модели гаструляции выше. Это не имеет значения: не следует думать, что модели должны быть абсолютно точны во всех деталях. Модель, тем не менее, показывает, как легко воспроизвести различные аспекты поведения клеток в раннем эмбрионе. Факт, что двумерный "шар" клеток самопроизвольно отреагировал на стимул, даже при том, что модель более проста, чем реальная ситуация, делает ее более сильным свидетельством. Он убеждает нас, что эволюция различных процедур раннего эмбрионального развития не обязана быть такой уж сложной. Заметьте, что простой является модель, а не явление, которое она демонстрирует. Это является признаком хорошей научной модели.
Моя цель разъяснения моделей Остера состояла в том, чтобы показать общий принцип, благодаря которому отдельные клетки могут взаимодействовать друг с другом, строя тело без какого-либо чертежа, отображающего целое тело. Подобно складыванию оригами, инвагинация и отделение в стиле [эксперимента] Остера являются лишь некоторыми из самых простых уловок для построения эмбрионов. Другие, более сложные, играют роль позже в эмбриональном развитии. Например, изобретательные эксперименты показали, что нервные клетки, когда растут от спинного или головного мозга, находят дорогу к своему конечному органу, не следуя какого-либо рода общему плану, а благодаря химическому привлечению, почти как пес вынюхивает, выискивая суку в период течки. Ранний классический эксперимент Нобелевского лауреата, эмбриолога Роджера Сперри отлично иллюстрирует этот принцип. Сперри с коллегой взяли головастика и удалили крошечный квадратик кожи со спины. Они удалили другой квадратик, такого же размера, с живота. Затем они пересадили эти два квадратика, но каждый на место другого: кожа живота была пересажена на спину, а кожа спины - на живот. Когда головастик вырос в лягушку, результат был довольно симпатичен, как часто бывает с экспериментами в эмбриологии: имелась аккуратная почтовая марка белой кожи живота посреди темной, пестрой спины, а другая аккуратная почтовая марка темной пятнистой кожи - посреди белого живота. А теперь - главное в этой истории. Обычно, если пощекотать спину лягушки щетинкой, лягушка будет чесать это место лапой, как будто отгоняя раздражающую муху. Но когда Сперри щекотал своей экспериментальной лягушке белую "почтовую марку" на спине, она чесала живот! А когда Сперри щекотал ей темную почтовую марку на животе, лягушка чесала свою спину.
В нормальном эмбриональном развитии, согласно интерпретации Сперри, произошло следующее: аксоны (длинные "провода", каждый - узкий, трубчатый выступ отдельной нервной клетки) вырастают из спинного мозга в поисках кожи живота, вынюхивая ее как собака. Другие аксоны растут из спинного мозга, вынюхивая кожу спины. И обычно это дает правильный результат: щекотание спины ощущается, как если бы оно было на спине, в то время как щекотание живота ощущается, как если бы оно было на животе. Но у экспериментальной лягушки Сперри некоторые из нервных клеток, вынюхивающих кожу живота, нашли почтовую марку кожи живота пересаженной на спину, по-видимому, потому что она правильно пахла. И наоборот. Люди, которые верят в своего рода теорию tabula rasa (чистой доски), согласно которой мы все рождены с разумом в виде с чистого листа, и заполняем его опытом, должны быть удивлены результатом Сперри. Они должны ожидать, что лягушки будут учиться на опыте разбираться с ощущениями их собственной кожи, связывая правильные чувства с правильными местами на коже. Вместо этого кажется, что каждая нервная клетка в спинном мозге помечена, скажем, как нервная клетка живота или нервная клетка спины, даже прежде, чем она вступит в контакт с соответствующей кожей. Позже она найдет свой назначенный, целевой пиксель кожи, где бы он ни был. Если бы муха проползла вдоль ее спины, лягушка Сперри, по-видимому, испытала бы иллюзию, что муха внезапно перепрыгнула со спины на живот, проползла немного дальше, а затем мгновенно перепрыгнула снова на спину.